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Tantalkarbid enthaltende Hartlegierungen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hartlegierungen, die vor allem für die Herstellung von Schneidwerkzeugen, arbeitenden Teilen solcher Werkzeuge, ferner von starker Abnutzung ausgesetzten Kanten und Flächen usw. geeignet sind. Von Legierungen für solche Verwendungszwecke ist zu fordern, dass sie eine genügende mechanische Festigkeit aufweisen, um der Beanspruchung beim Vorschub zu widerstehen, ferner dass sie eine genügende Härte besitzen, um auch der Abnutzung bei schwerer Schneidearbeit zu widerstehen, und dass sie die nötige Zähigkeit aufweisen, damit nicht ein Zerbröckeln oder Bruch auftritt, und dass sie schliesslich alle diese Eigenschaften selbst bei hohen Temperaturen, welche beim Gebrauch solcher Werkzeuge entwickelt werden, beibehalten.
Es sind Legierungen für derlei Anwendungszwecke bekannt, die aus den Karbiden verschiedener schwer schmelzbarer Metalle und Hilfsmetallen der Eisengruppe, insbesondere aus Wolframkarbid und Nickel, bestehen. Die bekannten Legierungen besitzen zwar einen ausreichend hohen Härtegrad ; sie sind aber mehr oder minder spröde, erhitzen sich beim Arbeiten zu weitgehend und erfordern häufiges Schleifen oder Zurichten, um ein infolge der ungenügenden Festigkeit eintretendes Abbröckeln bzw.
Springen des arbeitenden Teiles auszugleichen. Um den Kohlenstoffgehalt von derartigen Wolframkarbidlegierungen herabzusetzen (was zu einer Vergrösserung ihrer Zähigkeit führen soll), ist weitervorgeschlagen worden, diesen als weitere Komponente ein Metall einzuverleiben, welches wegen seines metallurgischen Verhaltens gegenüber dem Kohlenstoff die Eigenschaft besitzt, durch Steigerung seines Gehaltes in der Legierung eine Herabsetzung des Kohlenstoffgehaltes zu bewirken. Als derartige Zusätze wurden Molybdän und Tantal in Vorschlag gebracht. Die Herstellung solcher Legierungen erfolgt im Kohlenwiderstandsofen oder Graphitofen unter Benutzung von Graphitschiffchen als Schmelzwanne und unter Verwendung eines Einsatzes, der aus einem Gemisch der Metallpulver, beispielsweise Wolframpulver und Tantalpulver, besteht.
Dabei ist die Verringerung des Kohlenstoffgehaltes so zu erklären,
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Gegenstand der Erfindung bilden Hartlegierungen, welche den bekannten Legierungen überlegen sind, insbesondere auch geeignet sind, in Form von Werkzeugen zur Bearbeitung sehr harter Werkstoffe, wie 12-14% igem Manganstahl, zu dienen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Tantalkarbid enthaltenden Hartlegierungen mit Zusatz von 3-15% eines Metalles der Eisengruppe, vorzugsweise Nickel, als Hilfsmetall dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Tantalkarbid 85% bis 97% beträgt, wobei die Komponente des schwerschmelz-
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baren Metalls zwischen 93-8% und 95% Tantal und 5% bis 6-2% Kohlenstoff enthält, so dass die obere
Grenze von 6-2% Kohlenstoff der Formel TaC entspricht, während bei kleineren Kohlenstoffgehalten ein geringer Überschuss an freiem Tantal über die zur Bildung von TaC erforderliche Menge vorhanden ist. An die Stelle des Tantalkarbides kann auch Tantalborid (94% bis 97% Tantal und 3 bis 6% Bor) treten.
Die Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung besitzen einen besonders hohen Grad von Festigkeit, Härte und Zähigkeit ; Werkzeuge oder Schneidenteile von Werkzeugen, die aus solchen Legierungen hergestellt sind, erfordern daher nicht ein häufiges Schleifen oder Zurichten während des Arbeitens. Ferner weisen die Legierungen einen niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten auf, so dass sie sich während der Arbeit nicht bis zu einer unerwünschten Temperatur erhitzen bzw. überhitzt werden.
Demzufolge ist auch die Verwendung von Mitteln zum Löten, Hartlöten oder Schweissen mit niedrigem
Schmelzpunkt zur Befestigung der arbeitenden Teile an Werkzeugkörper ermöglicht. Da derartige
Werkzeugteile auch einen niedrigen Reibungskoeffizienten besitzen, werden bei ihrer Verwendung als
Schneidwerkzeuge die Späne mit grösserer Leichtigkeit abgehoben, so dass ein besonders reiner Schnitt erzielt wird.
Zur Herstellung einer Legierung gemäss der Erfindung kann man beispielsweise von Tantalpulver oder Tantaloxydpulver ausgehen, das man mit Kohlenstoff in Form von Lampenruss oder zum Zwecke der Reinigung vorher erhitzter Holzkohle oder mit amorphem Bor vermischt, je nachdem, ob Tantal- karbid oder Tantalborid gewonnen werden soll.
Wenn Tantaloxydpulver verwendet wird, kann dieses vorher in bekannter Weise reduziert werden ; man kann'auch so vorgehen, dass man das Oxydpulver mit einer ausreichenden Menge von Bor oder Bor und Kohlenstoff, wenn ein Borid hergestellt werden soll, oder mit ausreichenden Mengen Kohlenstoff allein, wenn ein Karbid gewünscht wird, mischt, u. zw. mit solchen Mengen, welche genügen, um das Tantaloxyd zu reduzieren und dabei einen genügenden Überschuss von Bor oder Kohlenstoff darüber hinaus ergeben, um das gewünschte Borid oder Karbid zu bilden. Das Bor wird vorerhitzt, um es zu reinigen und zu entgasen, und wird vorzugsweise in Form von amorphem Bor oder einer chemischen Verbindung, welche erhitzt Bor ergibt, verwendet, so z. B. in Form jener Verbindung, welche die chemische Formel Bj ; C besitzt.
Um das Metalloid mit dem schwerschmelzbaren Metall chemisch zu verbinden, ist es zweckmässig, die Mischung auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Karbids bzw. Borids zu erhitzen, worauf das Karbid oder Borid, in eine fein verteilte Form gebracht, im Vakuum oder einer reduzierenden
Atmosphäre neuerlich erhitzt und mit Nickelpulver, das durch Wasserstoff reduziert wurde, gründlich vermischt wird.
Um das Eindringen auch nur von Spuren von Sauerstoff oder andern das Sprödewerden befördernden
Gasen in das Pulver oder die Legierung zu verhindern, setzt man vorzugsweise das Hilfsmetall oder die
Hilfsmetalle in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen mit niedrigem Siedepunkt (z. B. Naphta oder niedrig siedendem Gasolin) zu. Je nach dem Fortschreiten der Legierungsbildung können die Pulver auch von
Zeit zu Zeit entgast werden. Die erhaltenen Pulvermischungen werden dann zweckmässig durch Pressen in die Form eines bearbeitbaren Körpers gebracht, der bearbeitet, geschnitten oder dem in anderer Weise die erforderliche Grösse und Gestalt verliehen wird. Der Formgebung folgt eine Behandlung in der Hitze bzw. eine Sinterung, um einen unporösen homogenen Körper bzw. einen Werkzeugteil zu erhalten.
Im nachstehenden seien beispielsweise die Mengenverhältnisse für einige Legierungen gemäss der Erfindung angeführt : Nickel 3 bis 15 Gew. Prozente, Tantalkarbid 97 bis 85 Gew. Prozente (mit
5% Kohlenstoffgehalt) ; Eisen und Nickel 3 bis 15 Gew. Prozente, Tantalkarbid 97 bis 85 Gew. Prozente (mit 5 bis 6-2% Kohlenstoffgehalt) ; Nickel 3 bis 15 Gew. Prozente, Tantalkarbid 97 bis 85 Gew. Prozente (mit 6-2% Kohlenstoffgehalt).
Der Kohlenstoffgehalt ist in diesen Fällen ausreichend, um Tantalkarbid der Formel TaC zu bilden.
Eine andere Legierung ist : Nickel 10 Gew. Prozente, Tantalkarbid 90 Gew. Prozente (mit einem Kohlen- stoffgehalt von 5-75%).Hiebei ist ein Überschuss an Tantal über die Menge, welche erforderlich ist, um Tantalkarbid der Formel TaC zu bilden, vorhanden. Auch die Legierung, welche einen solchen geringen Überschuss an Tantal über jene Menge aufweist, welche erforderlich ist, um TaC zu bilden, ist sehr hart und zähe. Wenn sie zu einem Werkzeug geformt ist, zeigt sie genügend mechanische Festigkeit, um der
Beanspruchung beim Vorschub zu wiederstehen, weist eine ausreichende Härte auf, um bei schwerer
Schneidearbeit eine merkliche Abnutzung hintanzuhalten, bricht nicht und bröckelt nicht, selbst wenn sie zum Schneiden von harten Metallen, wie Manganstahl, verwendet wird.
Dazu kommt noch, dass ein
Werkzeug, welches aus einer solchen Legierung hergestellt ist, diese wünschenswerten Eigenschaften selbst bei hohen, während des Gebrauches entwickelten Temperaturen beibehält.
Es wurde beobachtet, dass Tantalkarbidpulver eine charakteristische, gelblich oder schmutzig aussehende, messingähnliche Farbe aufweist, welche auch erhalten bleibt, nachdem die Bildung der Legierung gemäss der Erfindung stattgefunden hat. Diese Farbe kann als charakteristisches Kennzeichen von Tantalkarbid-Werkzeugen angesehen werden, so dass Werkzeuge, die aus Legierungen gemäss der
Erfindung hergestellt sind, schon durch ihr Aussehen von andern Schneidewerkzeugen unterschieden 'werden können.
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Während die Tantalkarbid-Legierungen, zusammengesetzt nach einer der vorgenannten Angaben, als die geeignetsten für Schneidwerkzeuge befunden wurden, wurde festgestellt, dass die Legierungen aus Tantalborid insbesonders für die Verwendung als Ziehsteine zum Ziehen von Drähten geeignet sind. Die Zusammensetzung einer für diese Zwecke dienenden Legierung ist beispielsweise : Nickel 3 bis 15 Gew.Prozente, Tantalborid 97 bis 85 Gew. Prozente (mit einem Borgehalt von 3 bis 6%).
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Tantalkarbid enthaltende Hartlegierungen, insbesondere für die Herstellung von Schneidwerkzeugen, mit einem Zusatz von 3% bis 15% eines Metalls der Eisengruppe, vorzugsweise Nickel, als Hilfsmetall, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Tantalkarbid (von der Zusammensetzung 93-8% bis 95% Tantal und 5 bis 6-2% Kohlenstoff) 85% bis 97% beträgt.